一种炼钢连铸工业过程优化控制方法

摘要

本发明涉及一种炼钢连铸工业过程优化控制方法，首先采用启发式算法求解初始炉次、浇次计划，再以初始计划为解空间的起点，以同宽选择、钢种接序作为邻域结构，在每个邻域结构内进行长板间短板的交换和插入、短板内板坯的交换、长板尾部板坯删除或优充生产操作，采用变邻域搜索的方法求出局部最优的炉次、浇次计划，更换邻域结构，拓展搜索范围，求出下一个局部最优的炉次、浇次计划，当所有的邻域结构都找到了局部最优的炉次、浇次计划之后，将其中KPI指标值最高的一个作为最终的炉次、浇次计划。本发明可提高炼钢连铸计划优化水平，以保证钢铁企业获得最大利润。

说明书

技术领域

本发明属于炼钢连铸技术领域，尤其涉及一种炼钢连铸工业过程优化控制方法。

背景技术

现代钢铁企业通常采用炼钢—连铸—热轧一体化生产模式，炼钢—连铸环节作为该流程的前序环节，对整个生产流程有着至关重要的作用。但是，钢铁企业大规模生产模式与客户小批量的订制要求形成了矛盾。为了解决该矛盾，需要提高炼钢—连铸计划优化水平，以保证钢铁企业获得最大利润。

炼钢—连铸计划是由于最终合同或经转换的生产合同,需求是多品种小批量的，而组织生产为节省调整时间和节余准备费用是按照固定批量(炉次计划)和一定量经济批量(浇次计划)进行的，这就需要将不同的合同需求，根据工艺的限制进行最佳的组合，这类问题属于生产批量计划的问题，炼钢—连铸计划分为两种，一种是炉次计划，另一种是浇次计划。

炉次计划属于炼钢—连铸阶段的生产批量计划，在炼钢—连铸生产阶段，由于中间合同(热轧板坯)或最终合同(如热轧带钢)的需求在钢级、规格、物理特性、交货期等诸多因素之间存在一定差别，根据炼钢工艺的要求和组成同一炉次的合同的特征限制，需要将合同进行组合，形成不同的炉次计划，使得每一炉次内在保证最低冶炼炉容的要求下，合同之间最少的交货期差异，最大的成材率和最低的生产成本以及最少的无委材。

在进行炼钢—连铸计划的安排时，除了必须满足上面提到的组炉约束和组浇约束，还需要尽量满足以下的软性约束：同一个合同的板坯尽量安排在同一个炉次中生产；无委托板坯越少、实际生产的DHCR板坯重量越多、烫辊材重量越接近烫辊材标量、安排到最优设备板坯的总量越多、优充板坯重量越少越好。目前还没有一种较好的炼钢连铸工业过程优化方法，以保证钢铁企业获得最大利润。

发明内容

本发明实施例提供一种炼钢连铸工业过程优化控制方法，采用变邻域搜索的方法对炉次、浇次计划进行优化，可提高炼钢连铸计划优化水平，以保证钢铁企业获得最大利润。

本发明提供一种炼钢连铸工业过程优化控制方法，包括以下步骤：

步骤1：根据厚度和钢种对DHCR(直接热坯装炉轧制)和非DHCR板坯进行分类，将分类后的板坯按照相同的生产宽度上下限连接起来，形成初级短板集合；

步骤2：进行同宽选择操作，即将具有同厚度、同钢种及相邻宽度规格的初级短板经过同宽处理连接成短板；

步骤3：进行钢种接序操作，即将短板按照相同厚度进行分组，然后将同厚度的短板按照钢种、生产宽度、钢种相容规则进行连接形成长板，一个长板为一个浇次，全部短板组成长板后形成初始浇次计划；

步骤4：将长板切割成小长板，一个小长板对应一个炉次，将板坯按照组炉条件放入到对应的炉次中，形成初始炉次计划；

步骤5：以初始计划为解空间的起点，以同宽选择、钢种接序作为邻域结构，在每个邻域结构内进行长板间短板的交换和插入、短板内板坯的交换、长板尾部板坯删除或优充生产操作，采用变邻域搜索的方法求出局部最优的炉次、浇次计划，更换邻域结构，拓展搜索范围，求出下一个局部最优的炉次、浇次计划，当所有邻域结构搜索完成之后，比较所有邻域结构的局部最优炉次、浇次计划，其中KPI指标值最高的一个作为最终的炉次、浇次计划。

在本发明的炼钢连铸工业过程优化控制方法中，所述步骤5中以KPI指标值为基准对新的局部最优的炉次、浇次计划做出评价，如果新的局部最优的炉次计划对应的KPI值高于上一个被保留的炉次、浇次计划对应的KPI值，则保留新的炉次、浇次计划并删除原有的炉次、浇次计划，反之保留原有的炉次、浇次计划并继续进行搜索。

在本发明的炼钢连铸工业过程优化控制方法中，所述步骤5中的KPI指标包括：合同兑现率、流向匹配率、中间包利用率、非计划板坯率和软约束评分；其中软约束评分包括：DHCR比率、烫辊材比率、设备偏好性、两流宽度比、以优充次和同合同约束。

在本发明的炼钢连铸工业过程优化控制方法中，所述步骤5具体包括：

步骤5.1：在初始计划确定基本同宽组选择方式后，按照同宽组选择的同宽数量由少到多的顺序，依次遍历所有同宽组选择方式，保留可行的同宽组选择方式；

步骤5.2：在初始计划确定基本钢种接序方式后，根据钢种相容性，枚举所有钢种接序的情况，并删除重复与不可能生产的长板；

步骤5.3：组合任意一种同宽组选择方式和钢种接序方式，形成领域结构，然后在邻域结构内进行板坯的交换、插入、删除、优充操作。

在本发明的炼钢连铸工业过程优化控制方法中，所述步骤5.3具体包括：

步骤5.3.1：遍历不属于同一长板中的任意两个短板，根据是否满足厚度、钢种接序、调宽次数、调宽量的限制来判断是否进行交换操作，如果可以交换且交换后KPI值增加，则进行交换，否则不进行交换；

步骤5.3.2：遍历不属于同一长板中的短板，根据是否满足厚度、钢种接序、调宽次数、调宽量的限制来判断是否进行插入操作，如果可以进行插入且插入后KPI值增加，则进行插入，否则不进行插入；

步骤5.3.3：在短板中随机找到两块非DHCR板坯，进行交换操作，如果交换后KPI值增加，则进行交换，否则不进行交换；

步骤5.3.4：对切割长板后剩余的少量非DHCR板坯进行删除或优充生产操作，遍历浇次中的每一个炉次中的尾部板坯，进行删除或优充操作，如果操作后KPI值增加，则进行相应操作，否则不进行操作。

本发明的一种炼钢连铸工业过程优化控制方法，首先采用启发式算法求解初始炉次、浇次计划，再以初始计划为解空间的起点，以同宽选择、钢种接序作为邻域结构，在每个邻域结构内进行长板间短板的交换和插入、短板内板坯的交换、长板尾部板坯删除或优充生产操作，采用变邻域搜索的方法求出局部最优的炉次、浇次计划，更换邻域结构，拓展搜索范围，求出下一个局部最优的炉次、浇次计划，当所有的邻域结构都找到了局部最优的炉次、浇次计划之后，将其中KPI指标值最高的一个作为最终的炉次、浇次计划。本发明可提高炼钢连铸计划优化水平，以保证钢铁企业获得最大利润。

附图说明

图1是本发明的一种炼钢连铸工业过程优化控制方法的流程图；

图2是本发明的优化控制方法中初级短板形成过程流程图；

图3是本发明的优化控制方法中短板形成过程流程图；

图4是本发明的优化控制方法中长板形成过程流程图；

图5是本发明的优化控制方法中切分长板组成炉次过程流程图；

图6是本发明的同宽处理示意图。

具体实施方式

炼钢—连铸计划是由于最终合同(或经转换的生产合同)需求是多品种小批量的，而组织生产为节省调整时间和节余准备费用是按照固定批量(炉次计划)和一定量经济批量(浇次计划)进行的，这就需要将不同的合同需求，根据工艺的限制进行最佳的组合，这类问题属于生产批量计划的问题，炼钢——连铸计划分为两种：一种是炉次计划(Chargeplan)；另一种是浇次计划(CAST plan)。

1.炉次计划

属于炼钢—连铸阶段的生产批量计划，在炼钢——连铸生产阶段，由于中间合同(热轧板坯)或最终合同(如热轧带钢)的需求在钢级(Steel grade)、规格、物理特性、交货期等诸多因素之间存在一定差别，根据炼钢工艺的要求和组成同一炉次的合同的特征限制，需要将合同进行组合，形成不同的炉次计划，使得每一炉次内在保证最低冶炼炉容的要求下，合同之间最少的交货期差异，最大的成材率和最低的生产成本以及最少的无委材(Open order)。

炉次的定义：炼钢的最小基本单位，一个炉次是指同时在同一个电弧炉或转炉内冶炼，从开始冶炼到浇注或模注为止的整个过程。一炉为100-300吨，每炉对应同一出钢号(钢级)。

对于炼钢后续工序为连铸类型的同一炉次的板坯必须满足如下条件(以板坯生产为例)：

①钢级(steel grade)必须相同；

②板坯宽度必须相同；

③板坯宽度满足轧制宽度限制；

④厚度必须相同；

⑤交货期接近；

⑥板坯总量满足炉容量限制。

当出现合同的板坯需求不能组成一炉时，在下列四种情况之一作出权衡：

①放弃该炉次计划；

②扩大预选池合同量；

③形成无委托材(Open order)；

④使板坯钢级升级。

2.浇次计划

浇次：一个炼钢计划单位，一个CAST由若干炉次组成，对于某一出钢记号的材料来说，只有凑足一个CAST才能编入炼钢计划。

中间包及板坯：存放炼好的钢水的装置称为中间包，中间包有两个可以调节宽度的出钢口，流出的钢水称为流，将流进行切割后(垂直于流向切割)即成为板坯。

调宽：中间包在浇铸(出钢)过程中改变一个或两个出钢口的宽度的工艺叫做调宽。

余材：由于在编制预CAST时必须完成计划起所有合同，有可能在某个出钢记号的某些规格处虚拟一些材料(即无合同与之对应)，这些材料即为余材。

同宽处理：对一系列相邻宽度规格的板坯类型作同宽处理，决定板坯以合适且相同宽度进行生产。

同宽组：是这样一系列相邻宽度规格，对其作同宽处理后，除去最大规格外，每一规格板坯欠量均不为0，即为正整数。

对于炼钢后续工序为连铸类型的同一浇次的炉次必须满足如下条件(以板坯生产为背景)：

①组成同一浇次的板坯的钢种相同或满足异钢种连浇规则；

②组成同一浇次的板坯的厚度相同；

③允许调宽时，同一浇次的板坯宽度满足调宽次数的限制；

④允许调宽时，同一浇次的板坯宽度满足调宽量的限制；

⑤浇次中的炉次数不能超过中间包最大炉次数；

在进行炼钢—连铸计划的安排时，除了必须满足上面提到的组炉约束和组浇约束，还需要尽量满足以下的软性约束：

①同合同连铸约束：同一个合同的板坯尽量安排在同一个炉次中生产；

②无委托板坯约束：无委托板坯即为无合同匹配的板坯，因其占用大量的资金和库存，故无委托板坯越少越好；

③DHCR比率约束：实际生产的DHCR板坯重量越多越好；

④烫辊材比率约束：烫辊材重量尽量接近烫辊材标量；

⑤设备偏好性约束：安排到最优设备板坯的总量越多越好；

⑥出钢记号以优充次约束：钢种优充生产规则，即在允许生产条件下可以用优质钢种代替劣质钢种进行生产，因此优充板坯重量越少越好。

3.炼钢—连铸计划问题描述

(1)优化目标

KPI指标：合同计划兑现率、流向匹配率、中间包利用率、非计划板坯率和软约束评分。

(2)约束条件

①组炉条件约束(硬约束)；

②组浇条件约束(硬约束)；

③精炼瓶颈设备能力约束(硬约束)；

④两流宽度比约束(软约束)；

⑤出钢记号以优充次约束(软约束)；

⑥无委托板坯约束(软约束)；

⑦同合同连铸约束(软约束)；

⑧连铸机拉速约束(软约束)；

⑨设备偏好性约束(软约束)；

⑩DHCR比率约束(软约束)；

烫辊材率约束(软约束)。

基于上述问题描述本发明提供了一种炼钢连铸工业过程优化控制方法，包括以下步骤：

步骤1：板坯形成初级短板：根据厚度和钢种对DHCR和非DHCR板坯进行分类，将分类后的板坯按照相同的生产宽度上下限连接起来，形成初级短板集合；

选出需要热装生产的DHCR板坯形成板坯序列，判断形成的每个DHCR板坯序列是否可投入到生产。其次，将可生产的DHCR板坯与剩余板坯按照厚度、钢种分类。最后，将分类后的板坯按照相同的生产宽度上下限连接起来，形成初级短板集合。在此过程中，符合同厚度、同钢种、同生产范围、相同合同的板坯尽量连接在一起，初级短板形成过程如图2所示。

步骤2：进行同宽选择操作，即将具有同厚度、同钢种及相邻宽度规格的初级短板经过同宽处理连接成短板；

每个初级短板具有各自的生产宽度下限与上限，并且因连铸设备的限制，只能生产宽度为W₁或W₂规格的板坯，所以板坯的实际宽度需要为介于生产宽度上下限、符合要求的数值。为了尽量形成较长的短板以及确定合适的生产宽度，生产范围具有交叉部分的初级短板会以相同的宽度生产，从而实现了同宽处理，短板形成过程如图3所示。

步骤3：进行钢种接序操作，即将短板按照相同厚度进行分组，然后将同厚度的短板按照钢种、生产宽度、钢种相容规则进行连接形成长板，一个长板为一个浇次，全部短板组成长板后形成初始浇次计划；

短板需要按照一定的规则形成长板，并成为浇铸机上的一个浇次。在形成长板时，将短板按照相同厚度进行分组，然后将同厚度的短板按照钢种进行分组。在同一个浇次中，规定板坯的厚度必须是相同的，短板宽度是按照从宽到窄的顺序进行拼接，但是拼接处两块短板宽度之差不能超过规定的范围，即调宽量的限制。同时，组成同一个浇次的板坯钢种要求同钢种或者异钢种但满足异种连浇规则。所以，将相同厚度的短板按照钢种、生产宽度、钢种相容规则进行连接即形成了长板，长板形成过程如图4所示。

步骤4：切分长板组成炉次：将长板切割成小长板，一个小长板对应一个炉次，将板坯按照组炉条件放入到对应的炉次中，形成初始炉次计划；

短板组成长板的过程，即为组成一个浇次的过程。全部短板组成长板后，浇次计划即为确定。此时，长板中所包含的板坯可确定其所在的具体浇次，每块板坯在长板中的排列顺序即为该板坯在该浇次中的生产顺序。形成长板(浇次计划)后，需要对长板进行切割，将板坯按照组炉条件放入到对应的炉次中，形成炉次计划。此时，每块板坯所在的具体的炉次也最终确定，切分长板组成炉次过程如图5所示。

步骤5：以初始计划为解空间的起点，以同宽选择、钢种接序作为邻域结构，在每个邻域结构内进行长板间短板的交换和插入、短板内板坯的交换、长板尾部板坯删除或优充生产操作，采用变邻域搜索的方法求出局部最优的炉次、浇次计划，更换邻域结构，拓展搜索范围，求出下一个局部最优的炉次、浇次计划，当所有邻域结构搜索完成之后，比较所有邻域结构的局部最优炉次、浇次计划，其中KPI指标值最高的一个作为最终的炉次、浇次计划。具体实施时，步骤5中以KPI指标值为基准对新的局部最优的炉次、浇次计划做出评价，如果新的局部最优的炉次、浇次计划对应的KPI值高于上一被保留的炉次、浇次计划对应的KPI值，则保留新的炉次、浇次计划并删除原有的炉次、浇次计划，反之保留原有的炉次、浇次计划并继续进行搜索。KPI指标包括：合同兑现率、流向匹配率、中间包利用率、非计划板坯率和软约束评分，具体计算公式如下表1所示；其中，软约束评分包括：DHCR比率、烫辊材比率、设备偏好性、两流宽度比、以优充次和同合同约束，具体计算公式如下表2所示。

表1 KPI指标计算表。

其中P_i为KPI指标中各项的数值，W_i为每项指标所对应的权重，在这里一共有5项指标，故n＝5。

表2 软约束评分计算表。

软约束评分计算方法+/-权重DHCR比率实现热装的板坯重量/当日合同总重量+0.020烫辊材比率|烫辊材重量-烫辊材标量|/烫辊材标量-0.020设备偏好性安排到最优设备板坯总量/当日生产板坯总重量+0.019两流宽度比|实际两流宽度比-两流宽度比标量|-0.020以优充次优充板坯重量/当日生产板坯重量-0.020同合同约束合同切换次数-0.001

其中P_5j为软约束评分中各项的数值，W_5j为每项所对应的权重，在这里一共有6项指标，故m＝6。

具体实施时，步骤5具体包括：

步骤5.1：在初始计划确定基本同宽组选择方式后，按照同宽组选择的同宽数量由少到多的顺序，依次遍历所有同宽组选择方式，保留可行的同宽组选择方式。

上述步骤即为同宽选择邻域结构，如图6所示。基本同宽组选择的同宽数量即为同宽数量选择的下限。若某一个备选宽度点未被任何范围包含，则该宽度点一定不被选择；若某一范围只包含一个备选宽度点，则该宽度点一定被选择。具体同宽处理方式如表3所示。

表3 同宽组处理方式表。

1号短板2号短板3号短板4号短板5号短板同宽数量^*方式一W₁W₂W₃W₃W₃2方式二W₁W₁W₂W₃W₃3方式三W₁W₂W₂W₃W₃3方式四W₁W₂W₃W₃W₃3

注：^*为由初始解确定的基本同宽组选择方式

步骤5.2：在初始计划确定基本钢种接序方式后，根据钢种相容性，枚举所有钢种接序的情况，并删除重复与不可能生产的长板。

上述步骤即为钢种接序领域结构。钢种接序是指在形成一个浇次时，异钢种之间的连接顺序。

假设日生产任务板坯的钢种为A₁、C₁和B₂，则所有的钢种接序情况为(B₂→A₁→C₃)^*，(B₂→A₁，C₃)，(B₂→C₃，A₁)，(A₁→C₃，B₂)，(C₃，A₁，B₂)。注：^*为初始解产生的钢种接序。

步骤5.3：组合任意一种同宽组选择方式和钢种接序方式，形成领域结构。然后在邻域结构内进行板坯的交换、插入、删除、优充操作。

具体实施时，步骤5.3包括：

步骤5.3.1：遍历不属于同一长板中的任意两个短板，根据是否满足厚度、钢种接序、调宽次数、调宽量的限制来判断是否进行交换操作，如果可以交换且交换后KPI值增加，则进行交换，否则不进行交换；

步骤5.3.2：遍历不属于同一长板中的短板，根据是否满足厚度、钢种接序、调宽次数、调宽量的限制来判断是否进行插入操作，如果可以进行插入且插入后KPI值增加，则进行插入，否则不进行插入；

步骤5.3.3：在短板中随机找到两块非DHCR板坯，进行交换操作，如果交换后KPI值增加，则进行交换，否则不进行交换；

步骤5.3.4：对切割长板后剩余的少量非DHCR板坯进行删除或优充生产操作，遍历浇次中的每一个炉次中的尾部板坯，进行删除或优充操作，如果操作后KPI值增加，则进行相应操作，否则不进行操作。

下面通过具体实施例，来说明优化效果：

设计日生产任务包括99块来自不同合同、具有不同生产参数的板坯的实验算例，经过对初始方案的求解和优化，所得结果如表4和表5所示。

表4 启发式算法生成的初始可行解。

表5 变邻域搜索算法的最优方案。

由表4和表5对比可知，变邻域搜索优化算法得到的最优方案相较于启发式算法生成的初始方案有了较大提高，实验结果证明该算法对于求解炼钢连铸计划问题有较为明显的效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的思想，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。